Eolienne

Éolienne

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Une éolienne est un dispositif qui utilise la force motrice du vent. Cette force peut être utilisée mécaniquement (dans le cas d'une éolienne de pompage), ou pour produire de l'électricité (dans le cas d'un aérogénérateur). On parle de parc éolien ou de ferme éolienne pour décrire les unités de productions groupées (installées à terre ou en mer).

Les régions du monde où les champs éoliens sont les plus nombreux sont le Danemark, le nord de l'Allemagne et la Californie (É-U), mais de nombreux parcs éoliens existent dans les îles des Shetlands (Écosse), dans la plaine du Pô (Italie) et en Galice (Espagne), où l'on peut en voir des centaines tout au long de la côte. En France elles sont surtout présentes en Bretagne dans l'Aude et la Meuse.

Éolienne aux Pays-Bas.
Éolienne BEST-Romani à Nogent-le-Roi, Eure-et-Loir.

Sommaire

Histoire

Article de Scientific American sur l'invention de Brush (1890).

Depuis l'Antiquité, des moulins à vent convertissent l'énergie éolienne en énergie mécanique (généralement utilisé pour moudre du grain, presser des produits oléifères, battre le fer, le cuivre, le feutre ou les fibres du papier... ou relever de l'eau). De nos jours, on trouve encore des éoliennes couplées à des pompes à eau, généralement utilisées pour assécher des zones humides ou au contraire irriguer des zones sèches ou abreuver du bétail.

En 1888, Charles F. Brush construit une petite éolienne pour alimenter sa maison en électricité, avec un stockage par batterie d'accumulateurs.

La première éolienne « industrielle » génératrice d'électricité est développée par le Danois Poul La Cour en 1890, pour fabriquer de l'hydrogène par électrolyse. Dans les années suivantes, il crée l'éolienne Lykkegard, dont il vend 72 exemplaires en 1908 [1].

Une éolienne expérimentale de 800 kVA fonctionne de 1955 à 1963 en France, à Nogent-le-Roi dans la Beauce. Elle avait été conçue par le Bureau d'Études Scientifiques et Techniques de Lucien Romani et exploitée pour le compte d'EDF. Simultanément, deux éoliennes Neyrpic de 130 et 1 000 kW furent testées par EDF à Saint-Rémy-des-Landes (Manche) [2]. Il y eut également une éolienne raccordée au secteur sur les hauteurs d'Alger (Dély-Ibrahim) en 1957.

Cette technologie ayant été quelque peu délaissée par la suite, il faudra attendre les années 1970 et le premier choc pétrolier, pour que le Danemark reprenne les développements d'éoliennes.

Schéma d'une éolienne de type aérogénérateur.

Une éolienne permet de transformer l'énergie cinétique du vent en énergie électrique. Elle se compose des éléments suivants :

  • Un mât permet de placer le rotor à une hauteur suffisante pour permettre son mouvement (nécessaire pour les éoliennes à axe horizontal) et/ou placer ce rotor à une hauteur lui permettant d'être entraîné par un vent plus fort et régulier qu'au niveau du sol. Le mât abrite généralement une partie des composants électriques et électroniques (modulateur, commande, multiplicateur, générateur, etc.).
  • Un rotor, composé de plusieurs pales (en général trois) et du nez de l'éolienne. Le rotor est entraîné par l'énergie du vent, il peut être branché directement ou indirectement à une pompe (cas des éoliennes de pompage) ou plus généralement à un générateur électrique. Le rotor est relié à la nacelle par le moyeu.
  • Une nacelle montée au sommet du mât, abritant les composants mécaniques, pneumatiques, certains composants électriques et électroniques, nécessaires au fonctionnement de la machine.
  • Dans le cas des éoliennes produisant de l'électricité, un poste de livraison situé à proximité du parc éolien permet de relier ce parc au réseau électrique pour y injecter l'intégralité de l'énergie produite.

Critères de choix de sites éoliens

Les critères de choix de l'implantation éolienne dépendent de la taille, puissance et du nombre d'unités. Ils incluent la présence d'un vent régulier (Cf. atlas éolien) et diverses conditions telles que : présence d'un réseau électrique pour recueillir le courant, absence de zones d'exclusion (dont périmètre de monuments historiques, sites classés..), terrain approprié, etc.

Le vent

L'efficacité d'une éolienne dépend notamment de son emplacement. En effet, la puissance fournie augmente avec le cube de la vitesse du vent, raison pour laquelle les sites sont d'abord choisis en fonction de la vitesse et la fréquence des vents présents. Un site avec des vents d'environ 30 km/h de moyenne sera environ huit fois plus productif qu'un autre site avec des vents de 15 km/h de moyenne. Une éolienne fonctionne d'autant mieux que les vents sont réguliers et fréquents.

Un autre critère important pour le choix du site est la constance de la vitesse et de la direction du vent, autrement dit la turbulence du vent. En effet, en règle générale, les éoliennes sont utilisables quand la vitesse du vent est supérieure à une valeur comprise entre 10 et 20 km/h, sans toutefois atteindre des valeurs excessives qui conduiraient à la destruction de l'éolienne ou à la nécessité de la « débrayer » (pâles en drapeau) pour en limiter l'usure. La vitesse du vent doit donc être comprise le plus souvent possible entre ces deux valeurs pour un fonctionnement optimal de l'éolienne. De même, l'axe de rotation de l'éolienne doit rester la majeure partie du temps parallèle à la direction du vent. Même avec un système d'orientation de la nacelle performant, il est donc préférable d'avoir une direction de vent la plus stable possible pour obtenir un rendement optimal (alizés par exemple).

Certains sites proches de grands obstacles sont ainsi à proscrire car le vent y est trop turbulent (arbres, bâtiments, escarpements complexes, etc.).

De manière empirique, on trouve les sites propices à l'installation d'éoliennes en observant les arbres et la végétation. Les sites sont intéressants s'ils sont constamment courbés par les vents. Les implantations industrielles utilisent des cartes de la vitesse des vents des atlas éoliens (là où ils existent) ou des données accumulées par une station météorologique proche.

En France, un projet est considéré économiquement rentable si la vitesse moyenne annuelle du site est supérieure à 6 ou 7 m/s, soit 21 à 25 km/h. Cette rentabilité dépend de nombreux autres facteurs, dont les plus importants sont le coût de connexion au réseau et le coût des fondations (déterminant dans le cas d'un projet offshore) et les coûts de rachat de l'électricité.

Certains sites bien spécifiques augmentent la vitesse du vent et sont donc plus propices à une installation éolienne :

  • L'effet Venturi : lorsque l'air s'engouffre entre deux obstacles comme deux montagnes ou deux grands batiments, il est accéléré par effet venturi. De même, lorsqu'il rencontre une colline, l'air est accéléré au niveau du sommet. Ces lieux sont donc très appropriés pour les éoliennes. Ils sont cependant le plus souvent de surface restreinte et peuvent être soumis à des turbulences si la forme des obstacles est irrégulière.
  • La mer et les lacs sont aussi des emplacements de choix : il n'y a aucun obstacle au vent, et donc, même à basse altitude, les vents ont une vitesse plus importante et sont moins turbulents. La proximité d'une côte escarpée, en revanche, créera également des turbulences, usant prématurément certains composants mécaniques de l'éolienne.

Autres critères

Parc éolien à Calenzana, Haute-Corse, France.
Fondation en béton, avant la construction d'un éolienne

D'autres critères sont pris en compte pour le choix du site.

  • La nature du sol : il doit être suffisamment résistant pour supporter les fondations de l'éolienne. Ce critère n'est pas déterminant car dans le cas d'un sol meuble, des pieux seront alors enfoncés sous les fondations de l'éolienne Il existe aussi des éoliennes haubanées.
  • L'accessibilité du site (virages, pente, passage de ponts) doivent permettre le transport des gros éléments de l'éolienne (pales, tour, nacelle) et des grues nécessaires au montage. Cette contrainte peut limiter la puissance maximale installable par machine.
  • La connexion au réseau électrique. Pour cela, les petites fermes d'éoliennes sont le plus souvent situées à proximité d'un poste de transformation haute tension afin de diminuer le coût de raccordement qui est directement fonction de la distance à ce poste. Pour les grosses fermes éoliennes, le réseau doit être en mesure de supporter l'énergie produite, et son renforcement est parfois nécessaire (renforcement ou création de poste de transformation). Le raccordement est plus coûteux dans le cas des projets offshores, mais les sites sont beaucoup plus ventés et les contraintes grandement plus faibles.
  • Les éoliennes, selon leur taille, vitesse de rotation et positionnement peuvent avoir un impact sur les oiseaux ou chauve-souris (collision, dégradation de l'habitat, etc.) notamment si elles sont éclairées de nuit (cf. pollution lumineuse) et/ou disposées sur un corridor de migration aviaire. Aussi, Birdlife International a fait un certain nombre de recommandations au Conseil de l'Europe à ce sujet [3] : les réserves naturelles, les routes migratoires importantes (cols), etc. sont des lieux à éviter pour la sauvegarde des oiseaux. Des études sont également en cours pour mieux apprécier et réduire l'impact des éoliennes sur les chauve-souris[4].
  • Même si les éoliennes de dernière génération sont relativement silencieuses, une étude de l'impact sonore sur les habitations est effectuée avant l'implantation des parcs éoliens. En fonction du résultat, cette implantation peut être modifiée afin de respecter la réglementation (émergence maximale de 5 dBA le jour et 3 dBA la nuit[5]). La distance entre les éoliennes et les habitations est généralement de 300 m. À environ 500 m, elles sont inaudibles ou très peu audibles et leur bruit est généralement couvert par le bruit du vent.

Sur la terre ferme

Dans une installation éolienne, il est préférable de placer la génératrice sur un mât à une hauteur de plus de 10 m jusqu'à environ 100 m, de façon à capter des vents plus forts et moins perturbés par la « rugosité » du sol. Dans les zones où le relief est très complexe, il est possible de doubler la quantité d'énergie produite en déplaçant l'installation de seulement quelques dizaines de mètres. Des mesures in situ et des modélises mathématiques permettent d'optimiser le positionnement d'éoliennes.


Pour les zones isolées et exposées aux cyclones

Pour ces zones, des éoliennes spéciales ont été conçues : elles sont haubanées pour pouvoir être couchées au sol en 45 minutes et sont de plus allégées. Elles peuvent aussi résister aux tremblements de terre les plus courants. Elles ne nécessitent pas de fondations aussi profondes que les autres et se transportent en pièces détachées. Par exemple, 7 éoliennes de 275 kW unitaires rendent Terre-de-Bas excédentaire en électricité, lui permettant d'en fournir à la Guadeloupe. De 1990 à 2007, 20 MW de puissance éolienne ont ainsi pu être installées en Guadeloupe. Toutes peuvent être couchées au sol et arrimées, comme ce fut le cas lors des passages des ouragans Ivan et José.

Mi-2007, il y avait environ 500 de ces éoliennes installées dans le monde, pour une puissance totale de 80 MW. La puissance des aérogénérateurs qui les équipent est passée de 30kW à 275kW en 10 ans.

Pleine mer

nécessaire au pays[6]. Ce pays est un leader et précurseur dans la construction et l'utilisation de l'énergie éolienne, avec un projet lancé dans les années 1970 Aujourd'hui de grands parcs offshore sont en construction au large de l'Angleterre [7] dans la baie de la Tamise, ainsi qu'en Écosse pour une puissance d'environ 4 000 MW au total.

La France ne possède pas de parcs offshore, mais quelques sociétés ont des projets en cours : Parc éolien de la Côte d'Albâtre, Parc éolien de la baie de Seine

Altitude

Villes

En environnement urbain, où il est difficile d'obtenir de puissants flux d'air, de plus petits équipements peuvent être utilisés pour faire tourner des systèmes basse tension. Des éoliennes sur un toit fonctionnant dans un système d'énergie distribuée permettent d'alléger les problèmes d'acheminement de l'énergie et de pallier les pannes de courant. De petites installations telles que des routeurs wi-fi peuvent être alimentées par une éolienne qui recharge une petite batterie. En ville, on pourra envisager l'implantation d'éoliennes à axe vertical ou hélicoïdales, qui ont un rendement inférieur mais qui produisent de l'électricité même par vent faible.

Il est aussi possible d'installer des éoliennes sur le toit des tours comme dans le quartier de la Défense à Paris.

Modélisation

Une éolienne se modélise principalement à partir de ses caractéristiques aérodynamique, mécanique et électrotechnique. En pratique, on distingue aussi le « grand éolien », qui concerne les machines de plus de 250 kW, de l'éolien de moyenne puissance (entre 36 kW et 250 kW) et du petit éolien (inférieur à 36 kW).

Axe horizontal

Une éolienne à axe horizontal est une hélice perpendiculaire au vent, montée sur un mât. La hauteur est généralement de 20 m pour les petites éoliennes, et supérieure au double de la longueur d'une pale pour les modèles de grande envergure.

Aujourd'hui les plus grandes éoliennes mesurent jusqu'à 180 m en bout de pale avec un moyeu à 120 m pour une puissance de 6 MW.

Puissance récupérable

La puissance du vent contenue dans un cylindre de section  S \, est :

 P_{cin\acute{e}tique} = \frac{1}{2} . \rho . S . V^3  \, avec :
\rho  \,  : masse volumique de l'air (air atmosphérique sec, environ : 1,23 kg/m3 à 15 °C et à pression atmosphérique 1,0132 bar)
 V  \,  : vitesse du vent en m/s

Cette puissance est une puissance théorique, il est bien sûr impossible qu'elle soit récupérée telle quelle par une éolienne (cela reviendrait à « arrêter le vent »).

La puissance récupérable par une éolienne est donc :

 P = \frac{1}{2} . \rho . S . V^3 .Cp  \,

avec Cp coefficient de performance qui est toujours inférieur 1.

Formule de Betz

La puissance récupérable est inférieure, puisque l'air doit conserver une énergie cinétique résiduelle pour qu'il subsiste un écoulement. Albert Betz a démontré que la puissance maximale récupérable est :

 P_{max} = \frac{16}{27} . P_{cin\acute{e}tique} = \frac{8}{27} \rho . S . V^3  \, .

Le rendement maximal théorique d'une éolienne est ainsi fixé à \frac{16}{27}, soit environ 59,3 %. Ce chiffre ne prend pas en compte les pertes d'énergie occasionnées lors de la conversion de l'énergie mécanique du vent en énergie électrique.

Production d'énergie électrique

Éoliennes et lignes à haute tension près de Rye, en Angleterre.

Les éoliennes sont caractérisées par leur puissance électrique. Ainsi une éolienne de 2 MW signifie qu'elle est capable de fournir une puissance électrique maximale de 2 millions de Watt.

Les conditions optimales permettant d'atteindre cette puissance maximale correspondent notamment à une vitesse de vent de l'ordre de 25 m/s, soit environ 90 km/h : en dessous de cette vitesse, l'éolienne produit moins d'énergie ; au dessus, l'éolienne est mise à l'arrêt. La production réelle d'énergie électrique est fonction de la distribution statistique de la vitesse du vent du site.

  • Le facteur de capacité est le rapport entre la puissance électrique moyenne (calculée sur un an) produite par l'éolienne et sa puissance électrique maximale. En théorie, ce facteur de capacité peut varier de 0% à 100%. En pratique, il est compris entre 20% et 70% selon les sites, et le plus souvent entre 25% et 30%[8].
  • Ainsi, une éolienne de 2 MW produira le plus souvent une puissance moyenne de 600 kW voire, dans les cas les plus favorables, 1400 kW. Cette puissance est donc la puissance électrique maximale que peut fournir l'éolienne sur le réseau.

Par comparaison, une centrale électrique de capacité moyenne (1300 MW électrique pour une tranche nucléaire, une centrale à charbon étant du même ordre) peut produire environ 200 fois plus d'énergie électrique qu'un groupe de 10 éoliennes de 2 MW installées sur un bon site.

Autres caractéristiques techniques

Pour des raisons de sécurité, il est nécessaire d'immobiliser les pales lorsque le vent est très fort. Pour une vitesse de vent donnée, la masse de la turbine est environ proportionnelle au cube de la longueur de ses pales, alors que l'air intercepté par l'éolienne est proportionnel au carré de cette longueur. Les pressions exercées sur une éolienne augmentent donc très rapidement à mesure que sa taille augmente. Ainsi la longueur maximale d'une pale est-elle limitée par la résistance de ses matériaux.

Pales de remplacement mesurant environ 15 m de long.

Les coûts de construction et de maintenance d'une éolienne augmentent peu en fonction de sa taille. En limitant tous les coûts, on reste seulement contraint par la résistance des matériaux et de sa fondation. Pour la réalisation des pales, l'un des meilleurs matériaux disponibles actuellement est l'époxy. Le carbone composite permet de construire des éoliennes de 60 m de rayon, suffisantes pour obtenir quelques mégawatts. Les éoliennes plus petites peuvent être construites dans des matériaux moins chers, tels que la fibre de verre, l'aluminium ou le bois lamellé.

Les petites éoliennes sont dirigées vers le vent par un aileron arrière, à la manière d'une girouette. Les grandes éoliennes possèdent des capteurs qui enregistrent la direction du vent et actionnent un moteur qui fait pivoter le rotor.

Éoliennes au Texas, États-Unis.

Quand elle tourne face au vent, l'éolienne agit comme un gyroscope, et la précession essaie de faire faire volte-face en avant ou en arrière à la turbine. Chaque pale est soumise à une force de précession maximale lorsqu'elle est verticale et minimale lorsqu'elle est horizontale. Ces changements cycliques de pression sur les pales peuvent vite fatiguer et casser la base des pales ou fausser l'axe de la turbine.

Éolienne de pompage pour puiser de l'eau.

Quand une éolienne puissante possède plus de une pale, celles-ci sont perturbées par l'air déplacé par la pale précédente. Le rendement s'en trouve réduit.

Les vibrations diminuent quand le nombre de pales augmente. En plus de fatiguer les mécanismes, certaines vibrations sont audibles et provoquent des nuisances sonores. Cependant, les éoliennes possédant moins de pales, plus grandes, fonctionnent à un nombre de Reynolds plus élevé, et sont par conséquent plus efficaces. Le prix d'une éolienne augmentant avec le nombre de pales, leur nombre optimal semble donc être de trois onshore peut être deux offshore (plus de bruit autorisé).

Les rotors à nombre pair de pales ne nécessitent pas obligatoirement de fixer individuellement chaque pale sur un moyeu. Aussi, beaucoup d'éoliennes commercialisées ont deux pales, car il est plus facile et plus économique d'usiner celles-ci d'un seul tenant. Les éoliennes à trois pales, bien plus efficaces et silencieuses, doivent généralement être montées sur place.

La plupart des éoliennes artisanales possèdent deux pales, car elles sont fabriquées à partir d'une seule longue pièce courbée de bois ou de métal, montée sur un générateur de récupération, tel qu'un alternateur de voiture ou un moteur de machine à laver.

Comme le mât produit des turbulences derrière lui, le rotor est généralement placé devant celui-ci. Dans ce cas, le rotor est placé assez loin en avant, et son axe est parfois incliné par rapport à l'horizontale, afin d'éviter que les pales ne viennent heurter le mât. On construit parfois des éoliennes dont le rotor est placé en aval du mât, malgré les problèmes de turbulences, car les pales peuvent ainsi être plus souples et se courber sans risquer de heurter le mât en cas de grand vent, réduisant ainsi leur résistance à l'air.

Les anciens moulins à vent sont équipés de voilures en guise de pales, mais celles-ci ont une espérance de vie très limitée. De plus, leur résistance à l'air est relativement élevée par rapport à la puissance qu'elles reçoivent. Elles font tourner le générateur trop lentement et gaspillent l'énergie potentielle du vent dont la poussée implique qu'elles soient montées sur un mât particulièrement solide. C'est pourquoi on leur préfère aujourd'hui des pales profilées rigides.

Quand une pale est en rotation, la vitesse relative du vent par rapport à la pale est supérieure à sa vitesse propre, et dépend de l'éloignement du point considéré de la pale avec son axe de rotation. Cela explique que le profil et l'orientation de la pale varient dans sa longueur. La composition des forces s'exerçant sur les pales se résume en un couple utile permettant la production d'électricité par l'alternateur, et une force de poussée axiale, répercutée sur le mât par l'intermédiaire d'une butée. Cette poussée peut devenir excessive par vent trop fort ; c'est pourquoi les éoliennes sont alors arrêtées et orientées pour offrir la moindre prise au vent.

Des essais sont effectués (2004) pour utiliser des pales cylindriques et bénéficier de l'effet Magnus.

Axe horizontal et pales horizontales

Un essai d'un nouveau type d'éolienne est en cours (2006) sur un bâtiment d'habitation en France à Équihen, dans le Pas-de-Calais : deux groupes de lames fixées sur un axe qui entraîne le générateur.

Axe vertical

Plusieurs solutions d’éoliennes à axe vertical ont été expérimentées :

Éolienne de type Darrieus à rotor parabolique, Parc Éole, Québec.
Rotor de Savonius
Éolienne à voilure tournante de Pierre Dieudonné[9]
12 m Culjak rotor à Osijek
  • Le type Darrieus repose sur l’effet de portance subi par un profil soumis à l’action d'un vent relatif ; effet qui s'exerce sur l'aile d'un avion. On distingue plusieurs déclinaisons autour de ce principe, depuis le simple rotor cylindrique - deux profils disposés de part et d'autre de l'axe - jusqu’au rotor parabolique où les profils sont recourbés en troposkine et fixés au sommet et à la base de l'axe vertical. Une éolienne de ce type a fonctionné au Québec (au Parc Éole) de 1983 à 1992. De grandes dimensions (110 m de haut), le prototype s'est détérioré lors d'un coup de vent, il était conçu pour fournir 4 MW avec un générateur au sol. Ces éoliennes de type Darrieus, de plus petites dimensions, sont à la base du projet Wind'It.
  • Le type Savonius, constitué schématiquement de deux ou plusieurs godets demi-cylindriques légèrement désaxés présente un grand nombre d'avantages. Outre son faible encombrement, qui permet d’intégrer l’éolienne aux bâtiments sans en dénaturer l’esthétique, il est peu bruyant. Il démarre à de faibles vitesses de vent et présente un couple élevé quoique variant de façon sinusoïdale au cours de la rotation. Une déclinaison de ce type d'éolienne est le Moulinet dont l’anémomètre constitue une bonne illustration. Citons aussi les modèles à écran où on masque le côté « contre-productif » de l’engin. Ce modèle utilise un système d’orientation de l’écran par rapport au vent, supprimant de fait un avantage essentiel des éoliennes à axe vertical. Ajoutons finalement que l’accroissement important de la masse en fonction de la dimension rend l’éolienne de type Savonius peu adaptée à la production de masse dans un parc à éoliennes.
  • Le type à voilure tournante est caractérisé par l'optimisation dynamique du calage des pales en temps réel, celles-ci se comportent de la même manière que la voile d'un voilier qui ferait un cercle dans l'eau avec un vent déterminé.

Les pales reproduisent ainsi fidèlement toutes les allures d'un voilier suivant leur angle (cap tangentiel) par rapport à la direction du vent.

Il en résulte que la poussée tangentielle sur les bras du rotor supportant les pales est toujours optimisée[10]. D'autres modèles sont construits aujourd'hui par diverses entreprises pour s'affranchir des limites introduites par la taille des pales, par leur vitesse de rotation et par le bruit. Le principe est celui d'un rotor d'axe vertical qui tourne au centre d'un stator à ailettes. Ce type de solution réduit considérablement le bruit tout en autorisant le fonctionnement avec des vents supérieurs à 220 km/h et quelle que soit leur direction. L'encombrement total est plus faible aussi bien pour l'espace au sol que pour la hauteur. Pour une éolienne de 3 m de diamètre et 2 m de haut une production de 8 000 kWh/an est annoncée (2007).

Ce dispositif est installé seulement sur de petites éoliennes ; il modifie les efforts de l'air sur les pales. Il agit de façon à sortir le rotor du lit du vent de façon à diminuer ses effets sur les pales. La force du vent comprime un ressort qui maintient, en temps normal, la tête de l’éolienne verticale.

Régulation aérodynamique sur les pales

  • Le pas variable permet de modifier l'orientation des pales sur le moyeu et permet ainsi de modifier l'énergie récupérée par l'éolienne. Entre autres, il permet d’arrêter l’éolienne afin de la protéger des vents violents (en plaçant les pales en drapeau et en réduisant donc la prise au vent) ou à maximiser l'énergie absorbée par l'éolienne pour la faire démarrer.
  • Le pas fixe empêche les pales d'accélérer en utilisant l’effet Stall qui agit comme un frein par le décrochage aérodynamique au niveau de la pale du rotor.
  • Les volets (aérofrein ou flaps) s’ouvrent automatiquement, si la vitesse du vent devient excessive ou si un problème est décelé, et ralentissent les pales ou diminuent leur portance en provoquant un décrochage aérodynamique.
  • Les spoilers, encastrés dans le bord d'attaque des pales (freinage aérodynamique). Chaque spoiler est maintenu dans son logement par un ressort de rappel et une masse tarés individuellement en fonction de la position du spoiler sur le bord d'attaque de la pale. À partir d'une certaine vitesse linéaire, la force centrifuge provoque l'éjection de tous les spoliers au même moment modifiant ainsi le profil aérodynamique de la pale.

Éoliennes à axe vertical

Il existe des systèmes grâce auxquels les ailes se décalent plus ou moins pour augmenter l'étendue des vitesses d'action. Si la vitesse du vent est basse, les ailes sont complètement déployées, si la vitesse est trop forte, les ailes sont complètement fermées et l'éolienne forme un cylindre.

Arrêt par frein à disque automatique

Il ne s’agit plus d’un système de ralentissement, mais d'arrêt complet de l’éolienne.

Ce mécanisme se déclenche automatiquement lorsque la vitesse atteint un certain seuil par l’intermédiaire d’un détecteur de vitesse. En cas de ralentissement du vent, le frein est relâché et l’éolienne fonctionne de nouveau librement. Ce dispositif peut aussi se déclencher lorsqu'un problème de réseau électrique est détecté.

Les éoliennes à pas fixe et régulation Stall comportent souvent, par sécurité, deux freins à disques.

Poids économique des acteurs de l'industrie éolienne

Une éolienne utilisée pour fournir de l'électricité aux réseaux délivre des puissances importantes, de l'ordre de 2 MW à l'intérieur des terres et de 5 MW en mer. Cependant, des modèles plus petits sont également disponibles.

C'est ainsi que certains navires sont maintenant équipés d'éoliennes pour faire fonctionner des équipements tels que le conditionnement d'air. Typiquement, il s'agit alors de modèles à axe vertical prévus pour fournir de l'énergie quelle que soit la direction du vent. Une éolienne de ce type délivrant 3 kW tient dans un cube de 2,5 m de côté.

Certaines éoliennes produisent directement de l'énergie mécanique sans passer par la production d'électricité, notamment pour le pompage de l'eau dans des lieux isolés. Ce mode de fonctionnement correspond à celui des moulins à vent d'autrefois, qui entraînaient le plus souvent des meules de pierre ; en effet, la plupart des 20 000 moulins à vent à la fin du XVIIIe siècle en France servaient à la minoterie.

Fabricants d'éoliennes

En 2008, les parts de marché mondiales des principaux fabricants d'éoliennes selon Emerging Energy Research étaient les suivantes [11] :

  1. le danois Vestas avec 19 % ;
  2. l'Américain GE Wind avec 18 %.
  3. l'Espagnol Gamesa avec 11 % ;
  4. l'Allemand Enercon avec 9 % ;
  5. l'Indien Suzlon avec 7 % ;
  6. l'Allemand Siemens avec 7 %.
Enercon E66 Hauteur=100 m Puissance=2000KW (parc d'Assigny)
Enercon E66 Detail de la nacelle(parc d'Assigny)

Les principaux fabricants d'éoliennes construisent des machines d'une puissance d'environ 1 MW à 6 MW. Il existe de très nombreux autres fabricants d'éoliennes, parfois de très petite dimension pour des applications individuelles ou de niche. Les principaux fabricants d'éoliennes, étaient d'abord surtout originaires du Danemark et d'Allemagne, pays qui ont investi très tôt dans ce secteur. Certains pays doivent redoubler leurs investissements aujourd'hui pour combler leur retard, comme l'Américain GE Wind qui a presque doublé ses parts de marché en 5 ans, ou comme le Français AREVA, qui détient maintenant sur 70 % du capital de REPower.

Éoliennes en France

La puissance installée du parc éolien français a augmenté de 37 % en 2008 selon le Syndicat des énergies renouvelables (SER) et représente plus de la moitié des nouvelles capacités électriques installées en France.

Impact sur l'emploi

En janvier janvier 2009 Selon le Syndicat des énergies renouvelables (SER), le secteur éolien avait créé dans les 5 années précédentes en moyenne 33 nouveaux emplois par jour en Europe[12].

Avantages

Pour Hubert Reeves, « chaque éolienne est garante d'un peu moins de gaz carbonique dans l'atmosphère ou d'un peu moins de déchets nucléaires à gérer par les générations à venir ».

L’énergie éolienne est une énergie renouvelable idéale selon Ressources naturelles Canada[13] car :

  • Il s’agit d’une forme d’énergie indéfiniment durable et propre.
  • Elle ne nécessite aucun carburant.
  • Elle ne crée pas de gaz à effet de serre (sauf si l'on considère que ce type d'énergie est intermittent et nécessite l'utilisation de centrales thermiques constamment au ralenti afin de réguler les variations imprévisibles de la production éolienne). Ceci est vrai lorsque le nombre d'éoliennes est faible, car plus il y a d'éoliennes, plus ce problème s'auto-régule par foisonnement; le vent peut en effet ne pas être constant à un endroit donné, mais sur l'ensemble des parc éoliens la production se rapproche d'une constante.
  • Chaque mégawatt-heure d’électricité produit par l’énergie éolienne aide à réduire de 0,8 à 0,9 tonne les émissions de CO2 rejetées chaque année par la production d’électricité d'origine thermique.
  • Lorsque de grands parcs d’éoliennes sont installés sur des terres agricoles, seulement 2 % du sol environ est requis pour les éoliennes. La surface restante est disponible pour l’exploitation agricole, l’élevage et d’autres utilisations.
  • Les propriétaires fonciers reçoivent souvent un paiement pour l’utilisation de leur terrain, ce qui augmente leur revenu ainsi que la valeur du terrain. (les loyers sont autour de 1 500 à 2 000 € par MW).
  • La propriété des aérogénérateurs par des particuliers et la communauté permet aux gens de participer directement à la conservation de notre environnement.
  • Selon EDF[14], « [...] l'énergie éolienne se révèle une excellente ressource d'appoint d'autres énergies, notamment durant les pics de consommation, en hiver par exemple. »
  • Les éoliennes permettent au travers de la taxe professionnelle de participer au développement local avec une contribution annuelle de l'ordre de 10 000 € par MW (ce chiffre peut varier en fonction des communautés de communes concernées). Certaines communes rurales peuvent ainsi revivre et assurer des travaux pour lesquels elles s'endettaient jusque là.
  • Elle ne produit pas de déchets toxiques ou radioactifs car une éolienne est constituée principalement de métal et de matière plastique.
  • Une éolienne est en grande partie recyclable car construite en acier. Après son temps de fonctionnement (environ 20 ans), elle est entièrement démontable. On peut même si besoin retirer la fondation en béton. Elle n'aura laissé aucun produit contaminant autour d'elle et pourra être facilement remplacée.

Inconvénients

Plusieurs facteurs freinent l'implantation des parcs de production éoliens :

  • L'électricité éolienne est une énergie intermittente. C'est une des raisons qui, historiquement, a fondé le remplacement des moulins par des machines à vapeur pour la meunerie, le pompage, etc. Étant donné que le stockage de l'électricité en grandes quantités (de l'ordre du MWh) est encore très difficile et coûteux à mettre en place, l'énergie éolienne ne peut être utilisée que comme énergie d'appoint et ne pourra jamais subvenir à elle seule aux besoins en électricité (existants même en l'absence de vent).

Pour maintenir la production d'électricité lorsque l'énergie éolienne fait défaut, il est nécessaire que le réseau électrique auquel un parc éolien est intégré soit composé également de centrales électriques dites « secondaires », c'est-à-dire à démarrage rapide (par exemple, centrales hydroélectriques ou thermiques). Les centrales nucléaires ont un démarrage beaucoup trop lent pour prendre le relais de l'éolien. Le couplage avec des centrales thermique est le moins favorable au plan environnemental, mais les gestionnaires des réseaux électriques peuvent lorsque cela est possible coupler avec les centrales hydroélectriques. Une des solutions les plus efficaces pour stocker le trop plein d'énergie est l'utilisation « à rebours » des centrales hydro-électriques : celles-ci sont équipées pour pouvoir remonter l'eau d'un bassin de rétention situé au pied du barrage jusqu'au bassin supérieur. Mais en France pratiquement toutes les capacités hydro-électriques dans ce domaine sont déjà utilisées.[15]. Le stockage sous forme d'hydrogène ou dans des batteries se heurte à la fois à des problèmes de coût (il faudrait 7 tonnes de batteries par habitation pour faire face à la consommation moyenne actuelle) et de rendement (70% de pertes pour la filière hydrogène).

  • l'énergie éolienne ne suffit pas en elle-même à définir une politique énergétique et environnementale. Par exemple, le Danemark, champion incontestable de l'énergie éolienne (plus de 500 W par habitant d'installés)[16] ne produit que 20% de son électricité par l'éolien et a dû développer d'autres énergies renouvelables et des mesures d'efficacité énergétiques pour réduire sa production de gaz à effet de serre[17].
  • La puissance électrique disponible représente en moyenne entre 20 et 40% de la puissance installée, selon la force du vent. Il en résulte des surcouts importants : l'immobilisation du capital est un lourd poids économique.
  • Quoique que l'esthétique d'une éolienne soit une affaire de goût qu'on ne peut objectivement trancher, les riverains craignent généralement une dégradation visuelle des sites concernés[18], ainsi qu'un impact sur l'écosystème par le bruit des éoliennes et les interférences électromagnétiques induites par leurs générateurs.

Ces craintes recouvrent plus prosaïquement une inquiétude quant à la dépréciation du foncier et de l'immobilier à proximité des parcs éoliens ; cependant, certaines études montrent que l'éolien n'a que peu d'influence sur les cours de l'immobilier[19]. Par ailleurs, des recherches ont pris le parti de limiter ce type d’impact en « délocalisant » les systèmes en altitude, par l'utilisation de cerfs-volants ou de ballons[20].

  • Les riverains déplorent le bruit[21] des éoliennes : il peut être d'origine mécanique ou aérodynamique. Les éoliennes anciennes produisent un bruit de 55 dBA à leur pied. Une étude de 2007[22] de l'AFSSET commandée par les ministères chargé de la santé et de l'Environnement a conclu qu'en France, si « les premières générations d'éoliennes émettent un bruit relativement important; les éoliennes plus récentes ont bénéficié de nombreuses améliorations, ce qui a permis de réduire leurs émissions sonores ». Le bruit de l'éolienne et sa perception dépendent selon l'Afsset de plusieurs facteurs :
  • intrinsèques, liés à l'éolienne et à sa puissance acoustique, ainsi qu'à la taille du parc, etc. ;
  • dépendants de topographie, nature du sol, géométrie de l'éolienne et du lieu « récepteur » ;
  • dépendants de la météo (vent, hygrométrie (le bruit porte un peu mieux dans l'air humide…)) ;
  • liés au milieu environnant (végétalisation, substrat rocheux, terre, etc qui absorbent ou renvoient plus ou moins le bruit) ;

Toujours selon l'AFSSET, le niveau de bruit est (en 2007) :

  • à proximité des éoliennes : dans la gamme des niveaux de bruit d'infrastructures de transports terrestres
  • à distance des sources : dans la gamme des niveaux de bruit résiduel (ou bruit de fond) et pour partie dans les infrasons dont une part en basses fréquences. L'AFSSET précise qu'on n'a à ce jour pas montré d'impacts sanitaire des infrasons sur l’homme (même à niveaux d'exposition élevés), et que l'exposition « de la population au bruit des éoliennes se situe largement sous la valeur seuil de 70-80 dB », et « ne permet pas d'envisager un risque d'atteinte directe de l'appareil auditif ». En pratique, il est difficile de percevoir le bruit d'une éolienne pour des distances supérieures à 500 mètres, mais que la gêne existe néanmoins. Des études psycho-acoustiques en laboratoire[23] sur la description du bruit émis par des éoliennes, montrent que des sifflements et effets de battements seraient les plus perturbants, surtout s'ils sont perçus comme impulsionnels ; la gêne pouvant aussi être engendrée ou augmentée par des facteurs subjectifs, dont le sentiment de déficit d’informations et de consultation et/ou une moindre acceptation de la présence de l'éolienne jugée inesthétique dans le paysage, ou perturbante pour les oiseaux. La recherche de moyens de rendre les éoliennes encore moins bruyantes se poursuit. Les simulations faites pour « des conditions d'émission et de propagation particulièrement pénalisantes ». montrent un bruit relativement faible, comparé au bruit de fond naturel dès que l’on s’éloigne suffisamment de la source, et d'importantes variations des selon le scénario choisi, ce qui a fait conclure à l'AFSSET qu'une distance réglementaire minimale n'était pas pertinente, mais qu'il fallait via les études d'impacts traiter le problème au cas par cas.
  • La réception des ondes hertziennes peut être perturbée, ce qui provoque une image brouillée sur les récepteurs de télévision. Dans ce cas, il est fréquent que la société implantant les éoliennes finance la construction d'un nouvel émetteur de télévision.
  • Des flashes très puissants sont émis toutes les cinq secondes en haut des mâts d'éoliennes à la demande de l'aviation civile pour des raisons de sécurité. Ces flashs sont généralement blancs le jour et rouges la nuit, d'intensité plus faible, ceci pour réduire la gêne auprès des riverains.
  • Les éoliennes, selon certains, pourraient constituer pour la migration des oiseaux un obstacle mortel. En effet, les pales en rotation sont difficilement visibles par mauvais temps ou la nuit. Les oiseaux peuvent alors entrer en collision avec celles-ci. Plus le parc éolien est dense, plus ce risque est grand. Des feux sur les pales peuvent réduire ce danger. Cependant, aucune étude sérieuse ne semble actuellement avoir démontré la réalité du danger pour les oiseaux. La LPO (Ligue de Protection des Oiseaux) se montre favorable au développement de parcs éoliens si ceux-ci sont construits en suivant ses recommandations[24]. D'après la LPO, les éoliennes n'ont qu'un faible impact sur la biodiversité par rapport à d'autres activités humaines (immeubles allumés la nuit, agriculture, fils électriques ...).
  • Les éoliennes, selon certains, pourraient constituer pour les chauves-souris un danger mortel. Car si elles savent bien les éviter, elles sont frappées par un barotraumatisme. C'est-à-dire un choc provoqué par la baisse brutale de la pression de l'air au voisinage des lames dont la vitesse dépasse, à leur extrémité, la barre des 200 km/h. Mais selon d'autres, cela ne pose pas de problème puisque les chauves-souris ne volent pas par grand vent [réf. nécessaire]. Des chercheurs conseillent que la vitesse de vent déclenchant le démarrage des pales soit de 5,5 m/s (19,8 km/h).
  • Les parcs éoliens peuvent parfois interférer avec les radars et en particulier avec les radars météorologiques. En effet, les éoliennes peuvent constituer un obstacle à la propagation de l'onde. Selon la proximité et la densité du parc d'éoliennes, celui-ci peut constituer un blocage majeur à basse altitude, donnant une zone d'ombre dans les données. De plus, comme les pales sont en rotation, le radar enregistre leur vitesse de déplacement, qui est indifférentiable d'une cible en mouvement comme la pluie. Habituellement, on filtre les échos de sol indésirables par leur vitesse Doppler. Dans le cas de précipitations, la vitesse lue sera un mélange entre la vitesse des gouttes et celle des pales, ce qui peut mener à une fausse interprétation des mouvements de l'air. Une étude sur cette possible interférence est donc nécessaire lors de l'examen d'un projet d'éoliennes[25].
  • Par son principe de fonctionnement même, une éolienne absorbe l'énergie du vent et le rend turbulent, créant ainsi un effet de sillage jusqu'à dix diamètres de rotor derrière elle. Ceci n'a d'impact qu'en altitude, mais c'est une des raisons majeurs pour lesquels 2 éoliennes doivent être suffisamment éloignées pour diminuer les pertes dues à ces turbulences (une distance raisonnable est 6x le diamètre de rotor)

Recherche et Développement

  • 2009. Les néerlandais de Dutch Rainmaker ont réalisé une éolienne qui utilise son énergie pour faire condenser la vapeur d'eau ambiante de l'air. Le premier prototype a ainsi condensé 500 L d'eau douce en 24h

Notes et références

  1. (en) DRUID-DIME Winter Conference
  2. (fr) L'aérogénérateur 800 kVA BEST - Romani
  3. (en) Position Statement on Wind Farms and Birds par Birdlife International (2005)
  4. Conférence « Impacts des éoliennes sur les oiseaux et chiroptères » du Bureau de coordination énergie éolienne
  5. (fr) Les éoliennes et le bruit par l'ADEME
  6. Source : Étude Eurostat.
  7. Pprojet London Array
  8. The Danish Wind Industry Association (DWIA)
  9. Eolprocess.com
  10. www.eolprocess.com
  11. [1] Emerging Energy Research, étude de parts de marché 2008
  12. [pdf] communiqué de presse du Syndicat des énergies renouvelables, 7 janvier 2009.
  13. ResCER
  14. EDF recherche et développement, L'énergie éolienne
  15. Jean-Marc Jancovici, Quelle surface faut-il couvrir d'éoliennes pour fournir à la France le courant dont elle a besoin ? juin 2000, rev. décembre 2001, sur manicore.com
  16. Danemark, sur planete-eolienne.fr
  17. Energy in Denmark – 2006 : chiffres de « Danish Energy Authority »
  18. (fr) Article du Monde, le 9 octobre 2008 - « Vent de colère contre les éoliennes »
  19. site de l'AWEA (American Wind Energy Association)
  20. Le ballon éolien
  21. (fr) Une synthèse sur le bruit des éoliennes par l'ADENL
  22. Etude :«  Impacts sanitaires du bruit généré par les éoliennes État des lieux de la filière éolienne - Propositions pour la mise en oeuvre de la procédure d’implantation » Mars 2008, incluant Avis de l’Afsset et Rapport du groupe d’experts
  23. Persson, Waye and Ohrstrom, 2002
  24. Rapport de la LPO sur l'éolien
  25. Bureau du NWS à Buffalo, NY, « Wind Farm Interference Showing Up on Doppler Radar », 8 juin 2009, NOAA. Consulté le 2009-09-01

Voir aussi

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Bibliographie

  • Désiré Le Gourières, Énergie éolienne. Théorie, conception et calcul pratique des installations, Éditions Eyrolles, Paris, 1980, 267 p.
  • Emmanuel Riolet, Le mini éolien. Un guide pratique et sur mesure., (Des réponses concrètes aux questions les plus courantes ainsi que des conseils pour bien choisir son éolienne, des pas à pas pour la réaliser et des solutions pour la raccorder au réseau et optimiser son rendement), Éditions Eyrolles, Paris, 2007, 160 p.

Articles connexes

Liens externes

  • Ademe Guide pratique sur les éoliennes
  • Planète éolienne Site des associations pour l'éolien en France, actualités, idées fausses, galeries photos, témoignages, petit éolien...
  • Wiki Éolienne Base de connaissances participative sur les éoliennes et l'énergie éolienne.
  • Base de données sur les éoliennes base de données sur les éoliennes et parcs éoliens du monde entier
  • Portail de l’énergie Portail de l’énergie
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